昔格达组地层大断面隧道施工工法比选分析

昔格达组地层是一种分布于我国西南地区的河湖相沉积半成岩,水稳性差,遇水易泥化、崩解,强度大幅度降低,在隧道开挖过程中易产生围岩大变形、初期支护结构开裂、掉块、坍塌冒顶等灾害事故,严重影响着交通隧道工程的建设。以改建铁路成都~昆明线米易~攀枝花段桐梓林隧道为工程背景,运用FLAC3D数值仿真软件,建立5种施工工法模型。从隧道围岩变形时空效应特征角度,对比分析昔格达组地层在不同施工工法中的变形响应。研究结果表明,不同施工工法对隧道拱顶沉降影响最大;当隧道设计预留变形量为10~15cm时,建议优先选择三台阶临时仰拱法;当隧道设计预留变形量为10cm以内时,建议优先选择CRD法;最先行开挖面最大挤出变形量与最先行开挖面面积近似呈线性正相关;采用预留核心或增加较大刚度的临时闭合支撑有利于控制掌子面挤出变形。     

崤山隧道软弱围岩台阶法施工预留变形量预测原理及变形控制技术

为更加合理地设计隧道开挖预留沉降量,避免造成超挖过多增加衬砌混凝土量或初期支护侵限的问题,依据变位分配控制原理,采用数值模拟及现场监测数据分析等手段,分析软弱围岩台阶法施工时各工序施工对变形的影响程度,确定分步变形控制标准,根据分步变形控制标准建立相应的预警系统和应急工程措施,并依据分步实际变形量预测初期支护的最终变形量,为同一设计围岩等级下隧道预留变形量的动态设计提供指导。在崤山隧道台阶法施工工程中,成功地将初期支护变形控制在预留变形量之内,并动态设计下一循环预留变形量的大小,减少初期支护混凝土用量12.86%,可为隧道多步序开挖预留变形量的设计提供一定的借鉴意义。     

考虑时空效应的浅埋软弱隧道预留变形量确定方法

在浅埋软弱隧道台阶法施工中,预留变形量不仅要考虑围岩累计变形量,也要考虑支护结构随围岩变形的时空效应。基于围岩变形监测资料,对某隧道支护与围岩的协调变形过程进行了详细分析,发现隧道收敛与沉降变形具有明显的时空效应,在此基础上提出了理想预留变形量下的变形模型。在考虑台阶法施工中的围岩变形时空效应下,对隧道的预留变形量进行了监测,上台阶节段初支段落整体上移200mm;中台阶衬砌在设计轮廓线外移150mm,节段长度不变且对应钢架半径增大150mm;下台阶节段钢架对应半径做同样的增加,对接中台阶进行拼装施工。后期监测资料表明,隧道在完成变形后基本达到了设计轮廓线位置。该预留变形量的确定方法既有效避免了大变形对隧道的影响,也解决了支护结构施工与材料用料上的矛盾问题,为浅埋软弱地层隧道预留变形量确定提供了新的思路。     

东天山隧道穿越断层破碎带初期支护变形分阶段控制标准研究

为解决东天山特长公路隧道穿越F2断层破碎带软岩大变形问题，综合采用理论分析、数值模拟、现场监测与统计分析等手段，开展隧道两台阶预留核心土法和三台阶法施工初期支护变形控制标准研究，并提出隧道初期支护变形分级预警方法。研究结果表明： 1）东天山隧道穿越F2断层破碎带的预留变形量选取60~80 cm能够满足施工要求。2）对于两台阶预留核心土法，上、下台阶开挖产生的初期支护变形占其总变形量的比例建议为60%、40%；对于三台阶法，上、中、下台阶开挖产生的初期支护变形占比建议为20%、65%、15%。3）当初期支护变形未超过预留变形量、超过预留变形量但未超过5%二次衬砌设计厚度、未超过10%二次衬砌设计厚度时，分别启动Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ级预警。Ⅰ级预警时正常施工，Ⅱ级预警时采取控制开挖进尺和台阶长度、及时设立护拱、尽快封闭初期支护等处治措施，Ⅲ级预警时则进一步采用短台阶或微台阶法施工。     

新乌鞘岭隧道软岩大变形悬臂掘进机施工控制技术研究

为解决新乌鞘岭隧道8号、9号、10号斜井工区正洞在千枚岩、板岩等软弱破碎岩体前期施工中出现的掌子面频繁溜塌、初期支护开裂、变形扭曲等问题,在对地质预报、监控量测和围岩松动圈等数据分析以及三台阶钻爆法施工支护存在的问题研究的基础上,采用现场试验的方法,研究玻璃纤维锚杆超前加固、超前大管棚支护、悬臂掘进机预留核心土两台阶机械法开挖工法、合理预留变形量以及增强初期支护的锁脚锚固、桁架结构加强初期支护纵向连接、径向注浆加固围岩等措施。经现场应用表明： 1）对于高地应力软弱围岩隧道,采用预留核心土两台阶大断面悬臂掘进机铣挖法施工技术是可行的,结合超前加固、支护结构补强等措施后,支护结构累计变形较前期减小一半以上,支护结构变形可控。2）采用悬臂掘进机开挖,隧道平均线性超挖量可控制在15 cm以内,相比钻爆法喷射混凝土平均超挖率由120%减小至60%,工序循环时间减少3 h左右,月施工进度由25~35 m提升至50~60 m。3）高地应力软岩大变形控制应在合理工法、合适设备、合理预留变形量和具有一定抵抗变形能力的支护结构之间找到平衡点。     

浅埋偏压软弱围岩隧道施工技术

浅埋偏压软弱围岩隧道若围岩为全风化岩,土体较为松散,围岩自稳能力较差,隧道开挖后容易出现塌方、冒顶等灾害,施工中隧道预留沉降量极难把控,即使开挖完成后也容易出现初期支护变形量较大,导致二次衬砌断面不足。京福铁路闽赣五标段金岭头隧道和童游隧道洞口段地质条件为全风化云母石英片岩,呈砂土状,地下水为孔隙裂隙水,施工中合理选用六部CD法、三台阶临时仰拱法和加强临时支护、反压回填等措施,控制了围岩和初期支护变形,保证了盾构能安全地通过风险地段。     

昔格达组地层大断面隧道变形特征分析

为掌握昔格达组地层大断面隧道变形特征,确保大断面隧道施工期间围岩的稳定性,以改建铁路成都至昆明线米易至攀枝花段桐梓林隧道为依托,采用数值模拟与现场多断面监测相结合的方法,研究在三台阶临时仰拱法施工中昔格达组地层大断面隧道变形的时空效应。研究结果表明： 昔格达组地层大断面隧道洞周围岩变形以竖向沉降为主;拱顶先行沉降与上台阶开挖引起的拱顶沉降之和占总沉降的41.3%,超前影响范围为1.3D;隧道开挖期间拱顶沉降和拱脚水平收敛主要受中台阶开挖的影响;隧道拱顶沉降随时间变化的预测公式为U=102.105·exp(-5.33/X);隧道拱脚水平收敛随时间变化的预测公式为L1=19.552·exp(-7.49/X);隧道墙腰水平收敛随时间变化的预测公式为L2=17.862·exp(-23.26/X)。     

马湾隧道浅埋偏压段初期支护变形原因分析及参数优化

为解决伏牛山地区浅埋偏压隧道开挖支护后初期支护大变形问题,从初期支护变形原因、主要的技术措施以及施工组织措施等方面进行研究,采用物探、钻探、试验段、监控量测、数值模拟等方法对初期支护变形原因进行深入分析,并与现场开挖揭示情况比对,得出原设计初期支护参数偏小是造成隧道初期支护开裂的主要原因。根据变形分析结论,在施工现场支护技术上,采用加大初期支护钢架型号、增加系统锚杆及初期支护背后注浆固结等支护措施;在施工组织措施上,遵循短台阶、短进尺、快封闭、仰拱衬砌适时跟进的原则组织施工。采用以上浅埋偏压隧道施工方法,能有效地控制初期支护变形,确保隧道施工安全。     

软弱围岩大跨隧道合理预留变形量分析及初期支护刚度优化

针对正在建设的成贵铁路四川段大部分隧道位于红层砂泥岩软弱地层的情况,根据现场实测数据,对10座隧道共407个断面1 213个拱顶沉降及边墙收敛监测数据进行统计分析,研究分析红层砂泥岩软弱地层隧道的变形特性及变形量。同时,结合现场实测统计数据,对目前红层砂泥岩软弱地层隧道V级围岩隧道采用的初期支护刚度体系进行多工况数值模拟分析,针对不同的初期支护结构进行变形及应力分析。研究结果表明： 现行TB 10003-2016《铁路隧道设计规范》给出的预留变形量参考值偏大,建议红层砂泥岩软弱地层浅埋大跨隧道（V级围岩地段）预留变形量按50~60 mm设置。     

高地应力软岩隧道圆形断面扩挖施工围岩及支护受力特征研究

针对高地应力软岩隧道开挖时围岩大变形问题,以某隧道圆形扩挖段为背景,采用三台阶法施工和3层初期支护+小导管注浆+二次衬砌的复合结构支护,并通过现场监测、数值模拟和理论计算研究开挖过程中的围岩变形及支护结构受力。结果表明:上、中台阶开挖时的隧道围岩变形速率较大,在仰拱封闭和第3层初期支护施作完成后,隧道变形趋于稳定;采用3层初期支护结构可有效改善隧道周边围岩应力,3层初期支护基本都是受压结构,拱腰和边墙处竖向应力最大,拱顶处水平应力最大;二次衬砌拱腰、拱顶、拱脚和边墙处安全系数均大于规范要求,保证隧道结构安全。     

浅埋软弱围岩隧道变形特征与施工控制研究——以拱北隧道为例

为研究浅埋软弱围岩隧道变形特征和施工控制措施,以拱北隧道为研究对象,分析隧道所处工程地质条件,并选取桩号D0+100~0+150洞段设置3层6处监测点,获取围岩变形位移数据,利用神经网络法反演获取隧道变形破坏参数与规律;以此为基础,利用ABAQUS有限元软件对比分析了软弱围岩隧道在不同施工方法、开挖方式和支护处理措施下的优缺点,并提出了针对性的解决方案。研究表明:拱北隧道初期支护过程中,拱顶部位沉降可达250~260 mm,拱脚部位变形较硬质岩隧道小,一般为197~200 mm,且仰拱初期支护过程中发生隆起的现象较为频繁;其次,隧道大变形的发生具有明显的时空效应特点,拱北隧道大变形发生部位集中在支护最薄弱位置,从这些部位逐步扩展为大变形破坏;采用分层开挖法,开挖台阶高度为3.5 m时较4.5 m高度台阶其顶拱沉降值缩小10.5%,水平向位移降低约5.2%,优势较大;借助可伸缩式锚杆和钢拱架等柔性和刚性支护措施相结合的方式,有效释放围岩压力,提高了拱北隧道围岩稳定性。对于浅埋软弱围岩隧道施工过程中采用以上施工及处理措施具有一定借鉴和推广价值。     

软弱地层中浅埋隧道不同工法开挖的力学特性研究

为确定软弱地层中浅埋隧道开挖时围岩的力学特性,以穿越饱和砂土地层的某城际高铁隧道为依托,采用数值模拟和现场试验手段,研究不同工法下围岩位移、地表沉降、初期支护受力情况的变化规律,并通过现场测试数据进行验证。结果表明:由于开挖过程中设置了中隔壁等临时支护,CD法能更有效控制变形的发展,因此洞内围岩位移、地表沉降、初支结构的应力、内力均比台阶预留核心土法小;现场监控量测成果与CD法数值模拟数据在规律上较为符合,CD法应用于饱和砂层中,引起的围岩位移、地表沉降、支护结构内力等均在安全值范围内,能保证浅埋隧道的施工安全。     

深埋大跨度绿泥石片岩隧道变形规律及合理预留变形量

陕西宝鸡至汉中高速公路连城山隧道（双洞六车道）在穿越绿泥石片岩地层过程中发生了初期支护变形侵限、喷射混凝土开裂、钢架扭曲等严重大变形灾害,施工难度非常大。基于连城山隧道大变形现场调研和现场监控量测数据,统计分析了不同绿泥石片岩岩体状态下的隧道变形情况,研究了深埋大跨度绿泥石片岩隧道变形规律及合理预留变形量;在此基础上建立了深埋大跨度绿泥石片岩隧道施工变形控制基准。研究结果表明：隧道变形量与绿泥石片岩的岩体状态密切相关,绿泥石片岩呈粉末状时隧道变形量最大,绿泥石片岩呈块状或厚层状时隧道变形量相对最小;隧道变形整体上表现出拱部沉降明显大于水平收敛的特征;采用“三台阶留核心土法+拱墙部双层HK200b钢架+φ108大管径锁脚锚管+深仰拱”的施工方案时,粉末状、碎裂状（粉末加块石）、薄层状、块状或厚层状绿泥石片岩段隧道沉降量值分别为358~850,234~678,153~486,27~236 mm;其中以拱部初期支护的整体沉降为主,占总沉降的55.5%~86.1%;隧道沉降主要发生在上台阶和中台阶施工阶段,占总沉降的66.7%~82.7%;仰拱施作后产生的变形占比最小,为3.3%~4.9%。建议在以上4种绿泥石片岩岩体状态下,隧道预留变形量分别取70~95,50~70,30~50,15~30 cm;在保证隧道施工场地的前提下,应尽量缩短台阶长度,减少初期支护封闭成环的时间。     

软弱地层大断面浅埋隧道围岩与初支结构协调变形规律研究

在软弱地层下修建大断面浅埋隧道,围岩变形通常面临着变形时间长及变形量大的问题,因此找到支护与围岩之间的变形协调关系是避免大变形给隧道工程建设带来不良影响的关键。首先分析了软弱地层大断面隧道产生大变形的原因及当前设计施工中普遍存在的问题,基于已有大变形隧道的研究资料统计,提出了隧道围岩与支护结构协调变形的关系假定,分析认为整体沉降与支护闭合前的挠曲变形是大变形的主要来源。得到了考虑时空效应下的隧道台阶法施工开挖变形过程,台阶法施工中大变形包含整体沉降与支护挠曲变形两部分,上台阶初支变形为下沉,同时侧墙支护发生挠曲。基于该变形特点进一步提出大变形的应对措施,克服了传统预留变形量的局限性,可为后续类似工程提供参考和施工指导。     

基于三维数值模拟的软岩超大断面隧道施工技术优化研究

为研究超大断面隧道在软岩地层中开挖施工引起的变形情况,基于铁路设计规范和围岩分级标准对王岗山隧道穿越岩层进行围岩亚分级,通过考虑开挖方向、复杂围岩条件及断层破碎带的影响,利用ABAQUS有限元软件开展三维施工过程模拟,获得三台阶法开挖后的隧道衬砌及围岩受力及变形特征。在此基础上,提出采用更适宜控制变形的双侧壁导坑开挖法,并对其控制效果进行验证。最后,分析影响隧道衬砌和围岩变形的相关因素,得到利于控制变形过大问题的最优进尺设置参数及初期/临时支护形式。数值计算结果表明:1)双侧壁导坑法能够有效降低隧道开挖引起的衬砌及围岩变形;2)锚杆在复杂地层中能够发挥重要作用;3)循环进尺和初期支护强度均对施工引起的变形存在影响,使用新型复合管片临时支护有利于控制隧道衬砌及围岩变形;4)断层破碎带是王岗山隧道施工必须重视的关键部位,除采用合理的开挖工法外,还应辅以其他降低围岩扰动进而控制开挖变形的有效措施。     

大跨扁平极软岩隧道大变形结构处理分析

牛头山隧道为双向6车道大跨度隧道,当开挖至绿泥石云母片岩段时发生了严重的大变形,拱顶最大下沉达1.6 m。为解决极软岩隧道大变形问题,通过对大变形围岩和初支变形特征、发生原因的分析,确定了"分台阶大预留、快开挖、双层强支护、早封闭"的大变形处理原则和方案。施工期间通过对双侧壁、单侧壁法和三台阶法施工的现场实践,证明依托工程采用短台阶开挖工法控制围岩大变形具有十分显著的效果。在确定采用三台阶开挖方法后,对拟定的应力释放层扩挖+双层H型钢初期支护和双层H型钢初期支护+108锁脚钢管两种支护方案,在左右洞进行了平行试验,结果发现采用双层H型钢支护+108锁脚钢管对于控制大变形效果良好,最终采用该方案顺利完成了绿泥石片岩段施工。     

大断面黄土隧道台阶法施工数值模拟研究

针对新建忻州隧道工程,运用有限元通用软件ANSYS,对大断面黄土隧道采用台阶法施工的过程进行数值模拟,探讨了采用台阶法施工隧道的围岩、初期支护及二次衬砌应力场和位移场随施工步的变化规律。在此基础上,研究了隧道初期支护、二次衬砌的支护效果以及隧道开挖对已施作初期支护受力及变形的影响。结果表明:①隧道施作初支有利于降低地层压应力,减小隧道变形;施作二衬能有效降低地层和初支的主应力,对隧道变形影响不大;②隧道的进一步开挖将导致已施作初支的压应力及位移值增大,使初支处于更危险的状态。     

高地应力大变形隧道台阶法开挖过程中围岩变形分析

在施工过程中围岩变形规律对高地应力隧道施工控制大变形非常关键,也是选择隧道开挖方式、支护型式、支护参数、支护时机的技术依据。采用有限元数值模拟分析对高地应力大变形隧道采用台阶法开挖过程中的围岩变形规律进行数值模拟分析,并针对其开挖过程中的预留核心土长度对变形的影响进行了探讨,提出了合理的台阶长度和核心土长度,其结果对高地应力大变形隧道的设计与施工具有指导作用。     

富水砂砾石地层浅埋大跨高速铁路隧道施工技术

宝兰客专石鼓山隧道下穿茵香河段围岩以粗圆砾土、大砾石砂土为主,最小埋深8 m,河流常年流水,围岩地下水丰富,在施工过程易发生涌水、塌方、冒顶等安全事故。为保证施工安全,采用地表袖阀管注浆和旋喷桩,洞内管棚+超前小导管注浆超前加固等措施进行围岩加固,并采用三台阶临时仰拱、三台阶临时横撑法等开挖方法,控制初期支护封闭距离和时间,实现隧道变形控制,保证了隧道施工安全。     

某公路隧道塌方原因分析及处治方案研究

以某高速公路隧道塌方案例为依托,对该隧道塌方原因进行分析,并通过数值模拟手段分析软弱围岩隧道台阶法施工中台阶长度及下台阶开挖支护时机对隧道围岩稳定性的影响,分析结果表明:软弱围岩隧道台阶法施工中应采用短台阶法施工,下台阶开挖时应立即施作支护,以抑制洞周围岩变形及塑性区的发展,避免围岩失稳、崩塌。并结合工程情况,提出采用多循环管棚注浆方案通过塌方段,为类似工程提供参考。